Dr Mateusz Sikora z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracował rewolucyjne podejście do szybkiej wizualizacji białek i cukrów. To efekt algorytmu GlycoSHIELD powstałego w ramach działającego od ubiegłego roku Centrum Dioscuri.
Łańcuchy cukrowe (glikany), które pokrywają powierzchnie białek w naszym organizmie, wpływają na ich interakcje z innymi cząsteczkami. Dlatego znajomość glikanów odgrywa ważną rolę m.in. przy tworzeniu nowych leków. Ze względu na dużą zmienność i ruchliwość cukrów badania doświadczalne są bardzo złożone. Symulacje komputerowe, które pozwalają zobrazować, jak glikany pokrywają powierzchnie białek, wymagają setek tysięcy godzin na przeznaczonych do tego superkomputerach, co nie pozwala na ich rutynowe użycie np. w procesie tworzenia nowych leków. Odpowiedzią na te wyzwania może być GlycoSHIELD – bardzo wydajny algorytm, który w ciągu minut przewiduje, jak cukry pokrywają powierzchnie białek. Został on opracowany przez polsko-niemiecki zespół badaczy w ramach działającego od ubiegłego roku Centrum Dioscuri w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Zrozumieć białka
Aby zrozumieć, jak funkcjonują białka i jak wpływają na rozwój i postęp chorób, naukowcy badają ich trójwymiarową strukturę. Oprócz metod eksperymentalnych używają również metod obliczeniowych. Dla przykładu, algorytm sztucznej inteligencji Alphafold potrafi określić strukturę przestrzenną białka z sekwencji budujących je indywidualnych elementów, czyli aminokwasów. Jednakże ponad 75% wszystkich białek nie składa się wyłącznie z aminokwasów. Powierzchnia tych białek jest niejako „ozdobiona” łańcuchami cukrowymi, które tworzą wokół nich niezwykle dynamiczne „tarcze”. Nadal nie wiemy do końca, jak te tarcze się zachowują ani jaki mają wpływ na
wiązanie się cząsteczek lekowych. Symulacja morfologii tych cukrów jest trudna ze względu na ich ruchliwość.
Podejmując to naukowe wyzwanie, dr Mateusz Sikora, kierujący Centrum Dioscuri do Modelowania Modyfikacji Potranslacyjnych oraz jego zespól afiliowany w Krakowie i Instytucie Biofizyki Maxa Plancka we Frankfurcie nad Menem, we współpracy z grupami dr. Cyryla Hanusa z Inserm w Paryżu i dr. Dnny’ego Hsu z Academia Sinica na Tajwanie, opracowali algorytm GlycoSHIELD. Oprogramowanie to umożliwia szybką wizualizację łańcuchów cukrowych na powierzchni białek.
Minuty zamiast tysięcy godzin
Sięgnijmy po przykład. Cukrowa warstwa na białku kolca koronawirusa SRAS-CoV-2 ukrywa go przed układem odpornościowym, utrudniając przeciwciałom przyczepienie się w celu pozbycia się patogenu. Jak dotąd przewidywanie struktury warstw cukrowych za pomocą symulacji komputerowych wymagało eksperckiej wiedzy i milionów godzin obliczeniowych na specjalnych superkomputerach. Tymczasem opracowany przez zespół dr. Sikory algorytm GlycoSHIELD przełamuje te ograniczenia, stanowiąc przy tym w stosunku do wcześniej stosowanych metod nie tylko szybszą, ale też bardziej ekologiczną alternatywę.
Nasze podejście redukuje zużycie zasobów, czas obliczeniowy oraz potrzebną wiedzę techniczną. Teraz każdy, w ciągu kilku minut, może na swoim komputerze osobistym, lub też używając naszej aplikacji online zwizualizować rozkład i dynamikę zachowań cząsteczek cukru na białkach. Nie potrzeba do tego ani specjalistycznej wiedzy, ani komputerów wysokiej wydajności – przekonuje dr Sikora.
Stworzone oprogramowanie może być pomocne przy opracowywaniu nowych szczepionek, leków i zaawansowanych terapii, na przykład immunoterapii nowotworowej.
Cukrowe puzzle
Jak zespołowi udało się osiągnąć tak duży wzrost efektywności symulacji? Autorzy stworzyli i przeanalizowali bibliotekę tysięcy najczęściej spotykanych form 3D łańcuchów cukrowych występujących u ludzi i mikroorganizmów. Używając pełnoekranowych symulacji dynamiki molekularnej i doświadczeń, badacze odkryli, że dla wiarygodnego przewidywania tarcz glikanowych wystarczy, że dołączone modele cukrów nie kolidują z błonami biologicznymi lub częściami białka. Algorytm opiera się na tych wnioskach.
Użytkownicy GlyoSHIELD muszą tylko określić białko i miejsca, gdzie cukry są dołączone. Nasze oprogramowanie następnie doczepia je na powierzchni modelu białka w najbardziej prawdopodobnym układzie – wyjaśnia dr Sikora. – Mogliśmy bardzo dobrze odtworzyć tarcze cukrowe białka kolca; wyglądają dokładnie tak, jak to, co widzimy w naszych doświadczeniach! – dodaje.
Dzięki GlycoSHIELD możliwe jest teraz uzupełnienie struktur glikoprotein o informacje o cukrach. Autorzy użyli również GlycoSHIELD do ujawnienia wzoru cukrów na receptorze neuroprzekaźników GABA, istotnym dla anestezjologii i działania środków uspokajających. GlycoSHIELD jest dostępny jako aplikacja internetowa pod adresem: glycoshield.eu. Nową metodę naukowcy opublikowali w renomowanym czasopiśmie Cell.
Dioscuri to inicjatywa Towarzystwa Maxa Plancka, niezależnej niemieckiej instytucji naukowo-badawczej, koordynującej prace kilkudziesięciu instytutów badawczych w Niemczech i poza granicami tego kraju. Celem jest utworzenie centrów doskonałości naukowej, które umożliwią uczonym prowadzenie badań na najwyższym światowym poziomie w jednostkach zlokalizowanych w Europie Środkowej i Wschodniej. Polska była pierwszym krajem, w którym uruchomiono to przedsięwzięcie. Do tej pory otwarto u nas osiem takich centrów. Zajmują się m.in. badaniami z zakresu biologii, chemii, biomedycyny i matematyki. Większość działa przy instytutach PAN, ale są też trzy uczelniane – wszystkie na Uniwersytecie Jagiellońskim. Ze strony polskiej programem zarządza Narodowe Centrum Nauki.
MK
https://forumakademickie.pl/sprawy-nauki/czy-beda-kolejne-centra-dioscuri-w-polsce/